【正文】 these three methods to a same image, then giving advantages and disadvantages for each pression method by paring pression ratio. This paper first introduces some elementary knowledge, such as concept, classification, characteristic, development direction and application of image processing, and introduces characteristic of the development tool VC++, and shows basic knowledge on operations to bitmap image in detail, and then analyses principles and the algorithms for three kinds of coding method, respectively. Finally some conclusions can be gotten through experiment results. Key Words: Image Compression。 ShannonFannon Coding。 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單 ............................................. 錯誤 !未定義書簽。 1 第 1 章 緒論 圖像壓縮編碼技術(shù)研究 目的和意義 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，圖像信息的處理、存儲和傳輸在社會生活中的作用越來越大，人們對接受圖像信息的要求越來越迫切，圖像通信將是通信事業(yè)發(fā)展中面臨的最大挑戰(zhàn)，也是未來通信領(lǐng)域的市場熱點(diǎn)。圖像通常來源于自然景物，其原始的形態(tài)是連續(xù)變化的模擬量。當(dāng)圖像以數(shù)字形式進(jìn)行處理和傳輸時(shí)，就可以與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，具有質(zhì)量好、成本低、小型化和易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此，將圖像進(jìn)行數(shù)字化傳輸已成為當(dāng)前圖像通信領(lǐng)域的主要技術(shù)。盡管隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，海量存儲技術(shù)以及數(shù)字通信系統(tǒng)的性能發(fā)展迅猛，但高清晰度數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量對數(shù)據(jù)存儲的能力和數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求仍然超出了現(xiàn) 有技術(shù)的能力所及。人們通過對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)和視覺感受的研究表明，圖像的相鄰像素之間、相鄰行之間或者相鄰幀之間都存在著很強(qiáng)的相關(guān)性，即圖像信號存在著空間冗余、時(shí)間冗余、結(jié)構(gòu)冗余、視覺冗余和知識冗余等冗余度，利用某種編碼方法在一定程度上消除這些相關(guān)性或冗余，就可以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的壓縮編碼。據(jù)分析，在人類的感官所接收的外部信息中，通過耳朵接收的聽覺信息約占總信息量的 20%左右，而通過人眼的視覺接收的信息則高達(dá) 60%以上。 簡單地說，如果沒有圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)，在 720*576 的分辨率下，一張 C 卜 2 RMO 光盤僅能存儲三十多秒未經(jīng)壓縮的視頻節(jié)目 ； 如果沒有圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)，從 Inter 上下載一部電影也許要花半年的時(shí)間。因此，研究高效的圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼方法，即怎樣處理、組織圖像數(shù)據(jù)，在應(yīng)用領(lǐng)域中的作用將是至關(guān)重要的。單純靠增加存儲容量，和提高信道帶寬以及計(jì)算機(jī)的處理速度等方法解決這個(gè)問題是不現(xiàn)實(shí)的。 圖像壓縮編碼技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 自 20 世紀(jì) 80 年代以來，無論是從社會的需要還是從技術(shù)的發(fā)展來看，圖像編碼技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入了很大范圍的應(yīng)用階段。 壓縮的理論基礎(chǔ)是信息論。 圖像壓縮技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在來說還是比較成熟的。其中 BMP 圖像對于原始的圖像數(shù)據(jù)不壓縮或壓縮比例很小。美國國防部及情報(bào)部門亦采用此標(biāo)準(zhǔn)為各部門間交流圖像資料的標(biāo)準(zhǔn)格式。 人類社會已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代了，人們每天都可以通過各種手段（如 PDA、網(wǎng)絡(luò)、電視、廣播等）獲得大量的信息，而信息的本質(zhì)，就要求交流和傳播。具 3 體的說，圖像壓縮的意義有以下幾個(gè)方面：首先是為了減少存儲容量，以利圖像的保存；其次是有利于圖像傳輸；第三是便于特征提取，以利于計(jì)算機(jī)模式識別。 首先介紹了圖像處理的概念、分類、特點(diǎn)、發(fā)展方向及應(yīng)用等基礎(chǔ)知識，介紹了開發(fā)工具VC++的特點(diǎn)，較詳細(xì)的說明了對位圖圖像進(jìn)行處理的基礎(chǔ)知識，然后分別對三種編碼方法的原理和算法進(jìn)行了分析，最后通過整體程序的運(yùn)行結(jié)果得出結(jié)論。 第二章：圖像壓縮編碼技術(shù)基礎(chǔ)及概念 對圖像壓縮編碼技術(shù)的概念 和數(shù)字圖像的基本概念做 了簡要介紹，對最新的圖像壓縮算法進(jìn)行了闡述， 介紹了 VC++軟件平臺的特性及結(jié)構(gòu)。 第四章：圖像壓縮編碼技術(shù)的算法實(shí)現(xiàn) 通過 哈弗曼 編碼、香農(nóng) 費(fèi)諾編碼和行程編碼三種方法對同一幅圖像進(jìn)行壓縮 實(shí)現(xiàn) ，對所得到的圖像壓縮比進(jìn)行比較，最后得出每種壓縮方法的優(yōu) 缺點(diǎn)。 最后，對全文進(jìn)行了總結(jié)，并對指導(dǎo)教師表示感謝。一定的信息量可以用不同的數(shù)據(jù)量來表示。圖像數(shù)據(jù)壓縮就是一種典型的數(shù)據(jù)壓縮，其目標(biāo)就是減少表示圖像所需的數(shù)據(jù)量。這個(gè)過程如圖 21 所示，它實(shí)際上包含以下兩個(gè)步驟： （ 1） 通過對原始圖像的編碼以達(dá)到減少數(shù)據(jù)量的目的（壓縮過程），所獲得的編碼結(jié)果并不一定是圖像形式，但可用于存儲和傳輸。 數(shù)據(jù)冗余的分類 由于圖像數(shù)據(jù)本身的冗余性和相關(guān)性，使得將一個(gè)大的圖像數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成較小的圖像數(shù)據(jù)文件成為可能，圖像數(shù)據(jù)壓縮就是去掉信號數(shù)據(jù)的冗余性。 （ 1） 空間冗余。一幅圖像記錄了畫面上可見物體的顏色，同一物體表面上各采樣點(diǎn)的顏色之間常常存在著空間相關(guān)性，即各采樣點(diǎn)的顏色像素值可以由相鄰像素的值預(yù)測出來，從而產(chǎn)生了空間冗余。在某些場景或圖像中，存 在著很強(qiáng)的紋理結(jié)構(gòu)或圖像分布模式，稱為結(jié)構(gòu)冗余。人類的視覺系統(tǒng)對于圖像場的敏感性是非均勻和非線性的，即眼睛并不是對所有信息都有相同的敏感度。 （ 4） 知識冗余。例如，人臉 5 的圖像有固定的結(jié)構(gòu)。 （ 5） 時(shí)間冗余。圖像序列中的兩幅相鄰的圖像，后一幅圖像與前一幅圖像之間有較大的相關(guān)性，這反映為時(shí)間冗余。 （ 6） 信息熵冗余。信息熵冗余又叫編碼冗余 。 無損壓縮編碼是建立在香農(nóng)信息論基礎(chǔ)之上的，以經(jīng)典集合論為工具。其壓縮過程是可逆的，在壓縮和解壓縮的過程中沒有信息量的損失，從壓縮后的圖像能夠完全恢復(fù)到原來的圖像。無損壓縮的壓縮效率較低，但是可以分毫不差地重現(xiàn)原始數(shù)據(jù)。 有損壓縮是把對最終應(yīng)用確實(shí)不需要的原始數(shù)據(jù)丟棄的一種壓縮技術(shù)。因此這樣的壓縮技術(shù)不應(yīng)該用在關(guān)鍵性的應(yīng)用中，比如醫(yī)學(xué)圖像。例如預(yù)測編碼、正交變換編碼、子帶編碼。它是一種無損壓縮方法，通過 設(shè)計(jì)合理的代碼取代數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。這樣就可以達(dá)到用盡可能少的代碼表示信源數(shù)據(jù)的目的。 （ 3） 對少一個(gè)信源符號 的信源凡，重新排隊(duì) ； 重復(fù)步驟 （ 2） 直至概率和達(dá)到 1為止 。 理論研究表明， 哈弗曼 編碼是一種接近于信源嫡的編碼方法。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于很難事先得知信源數(shù)據(jù)中各符號發(fā)生的概率，對那些要求實(shí)時(shí)編碼的工作帶來很大困難。由于 哈弗曼 編碼的所有碼字 是合在一起的，沒有分位，所以如果丟失一位或者增加噪聲都會使解碼結(jié)果面目全 非 。然后按每子塊內(nèi)像素的不同排列所出現(xiàn)的概率不同，采用哈弗曼編碼為這些子塊分配不同長度的碼字，概率高的分配短碼字，不常出現(xiàn)的分配長碼，使平均碼長達(dá)到最短。由于設(shè)備簡單，可用于實(shí)時(shí)處理或傳輸系統(tǒng)中，因此引起人們越來越廣泛的重視。全白的方塊最常出現(xiàn)，因此分配最短的碼字“ 0”，而其它含有黑色像素的排列均用直接編碼，如圖 所示（ 空白方格表示白像素 )。跳白塊 (WBS)編碼正式基于這一思想提出來的。編碼方法非常簡單，首先將二值圖像的各掃描行分成若干塊仍 lock)，每塊包括 N 個(gè)像素，其中像素全為白色像素的塊，稱為全白塊 (White Block)，編碼時(shí)用 1 比特碼字“ 0”表示，這是因?yàn)檫@種全白塊在所有的塊中出現(xiàn)的概 率最大，因而分配最短的一個(gè)碼字。注意，全白塊對應(yīng)的 1 比特“ 0”也可看作是前綴碼，只不過此時(shí)全白塊的編碼看成只包括前綴碼。使用這種編碼后，原圖像平均每個(gè)像素的比特?cái)?shù)，即比特率縱 nb 為 其中， np 是某塊 為全白的概率，通過對碼字的統(tǒng)計(jì)得到。 解碼時(shí)，每收到一個(gè)“ 1”，則判斷其后的 N 比特為直接編碼，而在該 N 比特以外的“ 0”則可判斷為全白塊，恢復(fù)為 N 個(gè)“ 0”，進(jìn)而唯一地恢復(fù)原像素序列，從而完成圖像的重建。 行程編碼 行程長度編碼，又叫做游程編碼 (RunLength Coding, RLC)，它的基本思想是，當(dāng)二值圖像按照從左到右的掃描順序去記錄每一行時(shí)，總會交替出現(xiàn)出現(xiàn)一定數(shù)量的連續(xù)白點(diǎn)和連續(xù)黑點(diǎn)，如圖 所示。游程編碼就是將這些不同的游程長度構(gòu)成的字符串用其數(shù)值和游長數(shù)值來表示。圖中可寫成白 黑 白 黑 白 3（ 其含義是 4 個(gè)白、 3 個(gè)黑、 5 個(gè)白、2 個(gè)黑、 3 個(gè)白 ） 。很明顯，游程長度越長，游程編碼效率越高，因而特別適用于灰度等級少，灰度值變化小的二值圖像。 圖 游程編碼 變換編碼 將原來在空間域上描述的圖像信號，通過數(shù)字變換變換到變換域中。 變換編碼的過程是先對每個(gè)子像塊進(jìn)行正交變換，生成變換域中的系數(shù)知陣，然后進(jìn)行變換、量化、編碼，再存儲或者傳輸。變換編碼之所以在圖像信號處理中得到廣泛應(yīng)用，主要是它具有 如下特性： （ 1） 能量集中性與保持特性 。在編碼時(shí)，可以舍棄能量較小的系數(shù)，或者分配很少的比特，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。 通過變換可以使相關(guān)的空間樣值變?yōu)椴幌嚓P(guān)或者弱相關(guān)的變換 9 系數(shù)，即變換編碼能夠消除存在相關(guān)性中的冗余度。 圖 位平面 位平面編碼是一種將多灰度值圖象分解成一 系列二值圖，然后對每幅二值圖再用二元壓縮方法進(jìn)行壓縮的技術(shù)。將圖像所有像素的不同比特位進(jìn)行分解，就構(gòu)成了圖像八個(gè)不同的位平面，如圖 所示。到位平面 0，基本上就已無法看到原圖信息，這恰恰表明，不同位平面的信息對數(shù)字圖像的貢獻(xiàn)是不同的，較高位平而 （ 簡稱“重要位 平面” ） 反應(yīng)原始圖像的主要內(nèi)容，而較低位平面所攜帶的原始信號能量極少，即忽略較低位平面對原始圖像質(zhì)量沒有太大的影響。 Visual C++ 介紹 采用的是 Visual C++ 平臺編程實(shí)現(xiàn)，建立的項(xiàng)目名稱為 RWJpegExp。即可以將 BMP 文件壓縮編碼為 JPEG 文件 ，也可以將 JPEG 文件解碼為 BMP? ? ? ?70, , 2 jtI x y B x y??? 10 文件。 Visual C++是 Windows 環(huán)境下最主要的面向?qū)ο髴?yīng)用開發(fā)系統(tǒng)之一，不僅是 C++語言的集成開發(fā)環(huán)境，而且與 Win32 緊密相連。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著多媒體技 術(shù)和圖形圖像技術(shù)的不斷發(fā)展，可視化技術(shù)得到廣泛的重視，越來越多的計(jì)算機(jī)專業(yè)人員和非專業(yè)人員都開始研究并應(yīng)用可視化技術(shù)。 Visual C++是一個(gè)很好的可視化編程工具，使用 Visual C++環(huán)境來開發(fā)基于 Windows 的應(yīng)用程序大大縮短了開發(fā)時(shí)間，而且它的界面更為友好，便于程序員操作。 VC++技術(shù)特性 面向 對象程序設(shè)計(jì) (ObjectOriented Programming 簡稱 OOP)方法已出現(xiàn)近三十年， 90 年代已成為程序設(shè)計(jì)的主流方向，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言是現(xiàn)代程序開發(fā)的主要工具，如 C++、 Java 是現(xiàn)代程序員必須掌握的編程語言。 編寫 Visual C++程序?qū)嶋H上就是一個(gè)構(gòu)造類和把類實(shí)例化的過程。 數(shù)字圖像基本概念 數(shù)字圖像是連續(xù)圖像 ( , )f xy 的一種近似表示，通常用由采樣點(diǎn)的值所組成的矩陣來表示： ( 0 , 0 ) ( 0 , 1 ) .. . ( 0 , 1 )( 1 , 0 ) ( 1 , 1 ) .. . ( 1 , 1 ).. . .. . .. .( 1 , 0 ) ( 1 , 1 ) .. . ( 1 , 1 )f f f Mf f f Mf N f N f N M????? ?? ? ? ??? 每一個(gè)采樣單元叫做一個(gè)像素 (pixel)，上式 ()中， M、 N 分別為數(shù)字圖像在橫(行 )、縱 (列 )方向上的像素總數(shù)。圖像文件按其數(shù)字圖像格式的不同一般具有不同的擴(kuò)展名。圖像數(shù)字化的精度包括兩部分，即分辨率和顏色深度。 數(shù)字圖像的顏色深度表示每一像素的顏色值所占的二進(jìn)制位數(shù)。顏色深度的不同，就產(chǎn)生不同種類的圖像文件，在計(jì)算機(jī)中常使用圖像文件的類型有單色圖像、灰度圖像、偽彩色圖像和 24 位真彩色圖像。常用的顏色表示法有 RGB、 CMYK、HSL 和 YUV 等。數(shù)據(jù)壓縮包括數(shù)據(jù)壓縮編碼和壓縮數(shù)據(jù)解碼兩個(gè)過程。 （ 2）像素間重復(fù)壓縮：前后像素間存在的某種程度的相關(guān)，如存在相同的背景圖像等，簡化編碼以節(jié)省空間。但是，只是在某些情況中才可以允許這種失真性較大的應(yīng)用。 數(shù)字圖像的采集設(shè)備主要有掃描儀、數(shù)字相機(jī)和圖像采集卡等。數(shù)字圖像處理由數(shù)字圖像處理系統(tǒng)完成，其結(jié)構(gòu)主要包括圖像采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)和圖像輸出系統(tǒng)三部分。 DIB是一種外部的位圖格式，經(jīng)常存儲以 BMP 為后綴的位圖文件。 BMP 位圖文件結(jié)構(gòu) BMP 文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖像數(shù)據(jù)四部分組成。 CDIB 類庫的建立 大多數(shù)圖像處理都是基于與設(shè)備無關(guān)位圖（ DIB）來進(jìn)行討論的，而 MF